「哪里回收电子产品用胶带」 电渗析-真空膜蒸馏集成膜法回收离子液体
10.11949/。。0438-1157.
电渗析-真空膜蒸馏集成膜法回收离子液体
刘燕1，夏天天1，2，孙位仕2，万印华2，沈飞2，邓会宁1
1河北工业大学化工学院，天津；2中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京
摘要：为了达到最大限度回收离子液体循环再利用的目的，用电渗析-真空膜蒸馏集成膜法浓缩低浓度质量分数下同为1%~5%的离子液体水溶液，实现了有效可操作的膜集成浓缩过程控制。分析了膜集成过程中电渗析施加电压、料液初始浓度和料液体积比等操作参数对优化工艺的影响，获得了此电渗析过程的最高浓缩浓度。当电渗析
可浓缩[]至最大浓度时，即可切换至真空膜蒸馏过程深度浓缩，最终可将[]水溶液浓缩至48.2%。关键词：电渗析；真空膜蒸馏；集成膜法；回收；离子液体；浓度
1，1，2，2，2，2，2
离子液体又称“室温离子液体”，是一种在100℃通常在室温下呈液态且只由有机阳离子与无机或有机阴离子组成的有机溶剂[1-3]。有机阳离子主要有咪唑离子、烷基季铵离子、烷基吡啶离子、
联系人：刘燕；沈飞。第一作者：刘燕1970—，女，副教授。
基金项目：河北省重点研发计划国际科技合作专项项目
烷基季膦离子等，阴离子主要有卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等，其中咪唑阳离子类离子液体具有最广泛的应用前景，是被大量研究的一类离子液体[4-7]。近年来，离子液体已广泛应用于生物催化[8]、纤维素溶解[9]、纳米材料合成[10]、和气/液、液/液分离[11-12]等领域。但是，离子液体经常与
···「哪里回收电子产品用胶带」·
水一起作为溶剂使用，而含有亲水基团的离子液体容易在水中形成胶束[13-14]，使用后的离子液体经常以水溶液的状态存在，例如，离子液体溶解纤维素时，纤维素的沉淀再生过程需要加入大量的水，残液中留下的萃取物，如低分子量糖或非极性生物质成分，可通过简单的加热轻易去除[15]，因此，不可避免地产生了大量低浓度质量分数为1%~5%的离子液体废水溶液[15-17]。由于离子液体本身具有一定的毒性，这类废水如果不能循环使用，会给环境造成危害。此外，离子液体的生产成本高，导致其价格昂贵，也阻碍了它
的进一步推广[18]。因此，离子液体的回收不仅可减少排污量，还能对其进行回用。综上所述，无论是从环境方面，还是从经济方面考虑，对离子液体回收的研究都具有重要的意义。
电渗析回收离子液体具有低能耗，不受渗透压限制的优势[19]，等[20]首次利用电渗析从离子液体水溶液中分别回收离子液体[]4、[]、[]，用阴离子交换膜-210和阳离子交换膜-001对溶液进行分离，经计算，在浓缩比为1.72的状态下最终可将质量分数近5%的[]水溶液浓缩至约9%。等[21]经过优化实验参数膜类型、施加电压和运行模式等使含有可溶性固体2.3%的混合咪唑离子液体废水溶液浓缩至10.6%。多种膜分离技术的耦合，会更充分发挥各个方法的优势达到分离回收离子液体的目的。等[22]报道了超滤和电渗析的耦合技术应用于生物质预处理溶液中回收离子液体的研究。先用超滤去除[]水溶液溶解纤维后残留的木质素解聚产物，之后用电渗析回收[]。超滤和电渗析技术的结合，使离子液体的回收率75.2%和电渗析的电流效率79.1%明显高于等[23]只利用电渗析技术回收生物质预处理溶液中的[]的研究，其回收率和电流效率分别为64.0%和63.5%。但是，当电渗析操作中离子液体浓缩至一定程度，受电渗析技术浓差扩散和水的渗透等传递过程的影响，离子液体浓度不能继续提高。而等[24]利用膜蒸馏技术使用两种疏水膜
膜、膜分别分离浓缩离「哪里回收电子产品用胶带」子液体[2][]和[2][2]水溶液，最后实现离子液体浓度从质量分数为5%有效浓缩至50%。
等[25]利用经表面疏水改性的多孔膜分离浓缩质量分数20%的[]水溶液，将[]水溶液浓缩至65.5%。因此，为了获得尽可能高的离子液体回收浓度，本文提出了电渗析-真空膜蒸馏集成膜法对低浓度离子液体进行浓缩回收，探索了此集成过程的应用研究。
1实验部分
1.1试剂和设备
实验所用原料[]1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐购买于林州市科能材料科技有限公司。所用试剂24为分析纯。去离子水为实验室自产水，其电导率小于8μ·-1。
实验所用离子交换膜由合肥科佳高分子材料科技有限公司提供，电渗析器膜堆由10对阴阳离子交换膜组成且每张膜膜面积为3362，相关参数见表1。真空膜蒸馏所用疏水膜购买自
，相关参数见表2。
表1电渗析用膜-离子交换膜主要理化性能参数
0.19±0.2
0.15±0.2
40—45
15—20
0.8—1.0
0.5—0.6
/？·-2
3.0±0.5
4.0±0.5
表2真空膜蒸馏用膜的结构参数
010022
-1-2
0.156
0.22
0.18
30.35±0.05
32.47±0.09
35.71±0.12
63.17±2.4
67.52±1.1
58.93±2.3
167±0.2
146±0.3
70±0.2
141±3.2
136±1.3
13±1.7
330±2
355±2
370±3
73.5±1.2
54.1±0.8
46.2±0.5
1.2实验方法
电渗析-真空膜蒸馏集成膜法浓缩回收离子液体的工艺流程如图1所示。电渗析实验中3·-124作为极液在电极室循环流动，待回收的[]水溶液通过蠕动泵从料液罐流出，穿过具有10对约1膜间隔的电渗析器，然后返回到料液槽中。图1为电渗析膜对示意图，阴阳离子交换膜交替排列，阳离子交换膜只允许[]+通过，截留-，阴离子交换膜只允许通过，截留[]+，电场作用下紧邻极室的膜可能会有少量[]的流失和+离子进入，「哪里回收电子产品用胶带」但实际操作中组装膜对数足够多时，该影响可忽略。所有的电渗析实验参数均每3测量一次。当淡化····
图1实验工艺流程图和电渗析膜对排列示意图
1—；2—；3—；4—；5—；
6—；7—；8—；9—；10—；11—；12—；13—；
室[]水溶液电导率低于0.3·-1时，电渗析实验终止。电渗析浓缩[]至最大浓度作为膜蒸馏的初始浓度，[]水溶液经恒温水浴槽加热后，通过蠕动泵从1.5的料液罐中输入膜组件上的回流孔流回至料液罐。透过膜的渗透蒸汽由下游侧真空泵抽出，然后经冷却水冷凝收集于储水槽中。膜的渗透通量通过称量1内收集到的渗透液进行测定。
····
1.3数据分析
由于浓度质量分数20%以内的[]水溶液与其电导率呈正比[26]，可测定电导率·-1求出[]浓度。
电渗析实验中[]的去除率、浓缩比和能耗的计算方法如下
×100%1
3式中，为去除率，%；和分别为淡化室初始和实验结束时淡化室[]浓度，%；和分别为淡化室初始和实验结束时淡化室[]水溶液体积，。为浓缩比特指淡化室和浓缩室初始料液浓度相同；和分别为浓缩室初始和实验结束时浓缩室[]浓度，%。为膜堆能耗，·；为操作电压，；为操作电流，；为运行时间，。
膜蒸馏实验中膜通量和截留率的计算公式如下
？1-？×100%5
式中，为膜通量，·-2·-1；为渗透液质量，；为膜面积，2，实验中用的膜面积为10.752；为测试时间，；为截留率，%；为渗透液中的[]浓度，%；为原料液中的浓度，%。
2结果与讨论
为了探究电渗析实验参数对[]回收过程的影响，过程中分析了操作电压、初始浓度和淡化室与浓缩室料液体积比对电渗析分离性能的影响。真空膜蒸馏过程中对疏水膜做了选择，用所选膜进行了较长时间的[]水溶液浓缩过程。
2.1电渗析浓缩离子液体过程
2.1。1操作电压对电渗析分离性能的影响电渗析膜堆上的电压降作为驱动力，可以影响离子的迁移速率。实验在室温采用恒压操作，淡化室和浓缩室中[]水溶液体积均为500，初始浓度为
2.5%，料液流量为0.56·-1。
图2显示了不同操作电压下电流和[]浓度随时间的变化关系，图2说明所有电流的变
图2不同操作电压下电流和[]浓度随时间变化关系
[]2.5%；500；0.56·-1
化趋势相同，均随着电渗析实验的运行而降低。结合图2与物料衡算进行比较发现淡化室[]浓度下降值大于浓缩室浓度上升值，导致淡化室电阻的增加大于浓缩室电阻的下降，假如膜堆电阻不变，总电阻增大，在恒压操作下，由欧姆定律可知，电流随之减小，图2中为浓缩室料液浓度，为淡化室料液浓度后文同。实验开始阶段，电流随电压的增大而增大。当电压是7、10、13、16时，对应的初始电流分别是1.32、1.94、2.62、3.11。由于电压越大，推动力越强，越有利于离子的迁移，回收离子液体所用的时间逐渐缩短。实验进行的时间分别为45、30、27、27，可见随着电压的增大，实验处理的速率增快，达到最终目标状态的时间也就越短。9后，7电压下的电流反而比其他四个电压下的电流大，如图2所示，这是由于7电压下淡化室[]水溶液的浓度比其他四个电压下的溶液浓度高，导致溶液电阻较之偏小，电流偏大。图2显示了淡化室离子液体的电导率减小到0.3·-1上海回收电子产品以下终止实验时，浓缩室浓缩离子液体至4%。随着电压的增大淡化室的浓度下降得也越快，从而，浓缩室的浓度上升得越快，结合图3看出，同一时刻，电压越大，去除率越高，[]的去除率最终可以达到98%。不同电压下有相同的浓缩比约1.6，随着电压的增加，膜堆能耗从
2.01×10-3·增大到4.65×10-3·，这可能归因于实验前期的高电流，增大电压时产生的热量也可导致能耗增加更快[27]。实验结果见表3。
图3不同操作电压下[]去除率随时间的变化关系
。3[]
2.5%；500；0.56·-1
表3操作电压对去除率、浓缩比和能耗的影响
×103/·
98.26±0.11
1.6±0.001
2.01
98.20±0.01
1.6±0.010
2.78
98.50±0.03
1.58±0.010
3.72
98.56±0.10
1.59±0.002
4.65
2.1。2初始浓度对电渗析分离性能的影响在电压、流量和进料体积恒定的条件下，考察进料浓度对[]去除率、浓缩比和能耗的影响。操作电压为10，淡化室和浓缩室中[]水溶液体积均为500，料液流量为0.56·-1。
如图4所示，在其他条件相同初始进料浓度不同的情况下，电流的变化趋势相同，均随着电渗析实验的运行而降低，最终的电流约0.1。实验开始时电流随着浓度的增加而增加，这是由初始浓度····
引起，初始浓度越大，其电阻越小，同电压下电流越大。当料液质量分数分别为1.5%、2.5%、3.5%、4%、5.5%时，实验进行的时间分别为18、30、33、33、36。实验运行时间增加，一部分原因是随着初始浓度的增加，迁移离子的总量增加，另一部分原因可能是由浓差扩散引起的，这种扩散速度随两室浓度差的提高而增加，其方向废旧电子产品回收生意与浓度梯度一致，也降低了电渗析过程的效率[28]。
图4不同初始浓度下电流和[]浓度随时间变化图
[]10；500；0.56·-1
图4显示了当淡化室浓度逐渐升高，浓缩室浓度最终分别可以增大到约2.7%、4%、5.4%、6.2%、8.4%。结合表4的实验结果，随着初始浓度增大浓缩比反而减小，这可能是因为发生了电渗失水即溶液中的水在直流电场的作用下，以水合离子的形式随[]+和-迁移至浓缩室和水的渗透。随着[]浓度的增加，其黏度增大[14]，黏度的增加也可能会一定程度的影响电渗析回收[]。考虑到[]可以通过阳离子交换膜迁移至极····
液中，同时，也可能有极少量[]残留在膜堆内部，当初始进料液的浓度增加时，[]残留在膜堆内部的损失量也可能增加[20]，同样这也是浓缩比随着初始浓度增加而减小的原因。浓度的变化也对能耗有一定的影响。膜堆能耗随着浓度增加而逐渐增加，这主要是由于随着浓度的增加运行时间越长和在实验开始阶段由高浓度下的高电流引起的。
表4初始浓度对去除率、浓缩比和能耗的影响
×103/·
98.32±0.05
1.79±0.002
98.20±0.01
1.60±0.012
2.78
98.86±0.12
1.54±0.010
3.91
98.73±0.01
1.53±0.050
4.48
99.19±0.17
1.51±0.003东莞电子产品回收公司
6.38
2.1。3体积比对电渗析分离性能的影响在电压、流量和浓度恒定的条件下，考察进料体积比对[]去除率、浓缩比和能耗的影响。操作电压为10，料液流量为0.72·-1，[]水溶液浓度为3.5%，浓缩室[]水溶液体积始终为500，淡化室体积从500增加至
1500。
如图5所示，不难发现电流随着体积比的增加下降趋势缓慢，结合图5可知，这一现象和淡化室各体积比溶液的浓度下降趋势相似。由图5可知，体积比为1：1、1：1.5和1：2时，浓缩室溶液质量分数在实验终止时可分别持续增至5.4%、6.3%、7.3%。然而，在体积比为1：2.5的浓缩过程尾声时，浓缩室溶液的浓度有轻微下降趋势。此现象在体积比为1：3时更为明显。这种现象是由于浓度扩散和水运输包括正渗透和电渗透的双重作用造成[21，29]。以体积比为1：3时来说明，实验运行69后，淡化室稀溶液的电导率低于0.9·-1，[]浓度接近零，与此同时，浓缩室电导率达最高值35.7·-1，浓度为8.4%，且此时对应最大浓缩比可达2.36。此时，两室的浓度差和渗透压差很高，由此导致[]的扩散和水的正渗透。[]+和-在浓度差的驱动力下从浓缩室的高浓度溶液迁移至淡化室的稀溶液中；此外，通过渗透压差的驱动力，水从低渗透压溶液稀溶液中渗透到较高的渗透压溶液浓缩溶液中。但是，[]
图5不同体积比下电流和[]浓度随时间变化图
[]10；3.5%；
0.72·-1
表5体积比对去除率、浓缩比和能耗的影响
×103/·
98.61±0.06
1.53±0.002
3.78
1：1.5
98.60±0.15
1.80±0.01
5.67
98.57±0.01
2.07±0.01
7.98
1：2.5
98.62±0.03
2.18±0.04
10.13
97.93±0.02
2.30±0.004
13.35
的去除率最终均可达约98%。浓缩比和能耗均随着体积比的增加而增加，详细实验结果如表5所示。
此外，又对不同体积比初始浓度4%的
[]水溶液可浓缩到最大浓度程度做了探究，结果发现，在操作电压为10，料液流量为0.72·-1，体积比为1：2.5的条件下，操作时间为57，可将4%的[]水溶液浓缩至8.5%，浓缩比为2.13。
2.2真空膜蒸馏浓缩离子液体过程研究
2.2。1真空膜蒸馏用疏水膜的选择在[]水溶液的膜蒸馏浓缩过程中，保持较高的膜通量和截留率是评价膜性能的重要参数。[]为一种熔融盐，其饱和蒸气压忽略不计[30]，主要是水蒸气透过膜。为考察膜蒸馏用膜的性能，选取以电渗析浓缩至浓度为8.5%的[]水溶液作为真空膜蒸馏的进料液，操作条件设定为：料液温度65℃，料液流量1.5·-1，下游侧真空度保持在90。膜的渗透通量和[]截留率随时间的变化情况如图6所示。
图6-1、-2和-3疏水膜渗透通量和截留率与膜蒸馏运行时间的关系
。6[]
；旧电子产品回收1.5·-1；90
2.2。2真空膜蒸馏浓缩[]水溶液过程为了考察真空膜蒸馏对电渗析浓缩后的[]水溶液可浓缩的最大浓度，实验选取-2膜，在操作条件为：[]流量2.「哪里回收电子产品用胶带」5·-1，料液温····
度70℃，真空度90的条件下，对上述经电渗析浓缩后的浓度为8.5%的[]水溶液深度浓缩。
真空膜蒸馏浓缩过程的渗透通量、[]截留率和浓度随运行时间的变化情况如图7所示，截留率在23之前均维持在99%以上，23之后逐渐下降，运行至结束，截留率为96%；实验持续运行55后，发现最终可将之浓缩至约48.2%，虽然浓缩了将近6倍，但是在真空膜蒸馏持续运行的过程中，渗透通量下降明显，从第1为48.3·-2·-1的通量到第55时下降至仅为6.6·-2·-1。渗透通量下降的原因为，随着[]浓度的增加，[]溶液的黏度增加，膜面温差和浓差极化也增加[31-32]，导致跨膜推动力减小，膜的渗透通量降低。同时，通过实验后对用膜断面进行元素分析，经过与原膜的对比发现55使用后的-2膜断面有元素出现，膜蒸馏用膜可能随实验的运行部分[]溶液吸附在膜表面甚至可能渗透至膜孔内，出现膜润湿[25，33]。后期过程中较低的渗透通量导致[]浓度增加缓慢，继续浓缩使得浓缩效果不明显。
图7-2真空膜膜蒸馏浓缩过程中渗透通量、[]截留率和浓度随运行时间的变化
343；2.5·-1；[]
8.5%；90
一般认为，真空膜蒸馏过程料液汽化需要的能量较高；电渗析作为无相变过程，处理低浓度离子液体时用电渗析技术浓缩耗能更低。而对于电渗析法不能浓缩的较高浓度离子液体，用真空膜蒸馏继续浓缩，能获得更高的浓缩效果，有利于获得更高浓度的离子液体。
····
利用电渗析-真空膜蒸馏集成膜法浓缩回收低浓度离子液体[]，实验最终可将低浓度质量分数为1%~5%的离子液体浓缩至48.2%。增大操作电压和提高淡化室/浓缩室体积比是电渗析实验加快离子液体去除效率和提高浓缩比的有效手段，离子去除率均维持在98%左右，基于淡化室电导率约0.3·-1终止实验的前提，在10操作电压、0.72·-1料液流量、1：2.5体积比的运行条件下，电渗析可浓缩4%[]至浓度约为8.5%；真空膜蒸馏在2.5·-1料液「哪里回收电子产品用胶带」流量、70℃料液温度和90真空度条件下，可继续浓缩[]至48.2%，且两技术的集成有利于将低浓度离子液体浓缩至较高浓度。
[3]杨兰兰，刘立芬，李以名，等。电渗析制备水溶性离子液体[]。化
125-133。
3730：325-327。
[18]张锁江，刘晓敏，姚晓倩，等。离子液体的前沿、进展及应用[]。
第9期。。。····
98-102。
